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문제 정의
- 본 연구는 건설 프로세스 전 과정에서 활용 가능한 통합시스템 구축에 목표를 두고 있다. 따라서 앞서 단계별로 구축된 시스템을 통합인터페이스를 통해 접근할 수 있도록 하여 각 단계별 시스템의 의사결정정보가 상호유기적으로 활용되도록 하였다.
- 본 연구는 수도권에 소재한 비정형 주거용 건축물 그림 5을 대상으로 프로토타입 시스템을 개발하였다. 이 건물은 지상 2층에 연면적 418.
- 본 연구는 이러한 문제점을 보완하면서 건설관리자의 업무를 효율적으로 지원할 수 있는 도구개발을 위해 건설현장의 실제정보에 바탕을 둔 증강현실 (Augmented Reality, 이하 AR)기반의 건설시뮬레이션시스템을 개발하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 BIM 기법을 활용하여 설계되고 최근 시공이 완료된 주택 건축물을 대상으로 AR 환경에서 설계단계, 시공단계, 유지관리단계의 시뮬레이션이 구동되는 시스템 (Augmented Reality Navigator, 이하 AR naviX) 을 구축하였으며 AR과 BIM 관련 전문가 워크샵을 실시하여 향후 보다 발전적인 AR 시스템 구현 시 반영할 수 있는 방법론과 개발된 시스템의 적절성, 한계점, 향후 연구방향을 도출하였다.
- 본 연구에서는 기존의 가상현실 환경에서 구현되는 BIM 의사결정 지원 시뮬레이션의 한계를 극복한 증강현실 기반의 새로운 시뮬레이션 AR naviX를 개발하였다. AR naviX는 건설 프로세스를 설계단계, 시공단계, 유지관리단계로 구분하여 각 단계별 참여자들의 건설관리업무를 지원한다.
- 이에 본 논문에서는 BIM기반 건설관리 통합시스템을 구축하여 AR환경에서 구현함으로써 현장여건을 효율적으로 반영할 수 있는 도구를 개발하고자 한다.
제안 방법
- AR naviX가 대상으로 하는 의사결정 업무를 결정하기 위해 본 연구가 모델링 대상으로 삼고 있는 주택프로젝트의 건축주 및 설계자와 면담을 실시하여 이 프로젝트의 각 단계별 주요 의사결정 업무를 조사하였으며 그림 2와 같이 시스템에서 구현할 주요업무 및 참여주체를 개념적으로 정리하였다.
- IDEF0는 정보시스템 구축을 위해 프로세스, 요구정보 등을 논리적, 물리적으로 분석·설계하는 방법인 IDEF 기법 중 하나로 기능분석에 중점을 둔 방법이다. IDEF0 모델은 활동(Activity)과 ICOM(Input, Control, Output, Mechanism)으로 구성되며 각 단계별 시스템의 활동을 중심으로 필요정보와 참여자, 제어정보 등을 다이어그램으로 작성해 요구기능을 도출하였다.
- dwg)파일로 구축되어 있는 평면도, 입·단면도를 활용하여 3D 형태의 구조 프레임을 구축하여 부재의 좌표점을 추출하였다. 구축된 3D AutoCAD 모델정보를 바탕으로 비정형 건축물 BIM 도구인 Digital Project를 활용하여 구조체의 메인 프레임을 BIM모델로 구축하였다. BIM 모델은 AR환경으로 불러들일 수 있는 형식의 데이터로 변환 과정이 필요하며, 3D 어플리케이션의 Export 기능을 통해 VRML 포맷으로 변환하여 최종 AR환경 모델을 완성하였다[그림 6].
- 건설관리공학 전문가 집단의 워크샵을 수행하여 기존 가상현실 기반의 시뮬레이션 시스템이 가지고 있던 실시간 정보공유 곤란 및 신속한 의사결정지연 등의 문제가 개선될 수 있는 것으로 인식함을 확인할 수 있었다. 그리고 워크샵 결과를 바탕으로 향후 연구와 시스템 개선 방향을 설정하였다.
- 외피를 원활히 시공하기 위해서는 건물외장재를 공장제작 및 현장시공 가능한 여러 부분으로 나누는 Panelization을 수행하게 되며 이 방식에 따라 공기 및 공사비에 차이가 발생한다. 따라서 IDEF0 방법으로 기능 정의를 분석할 때, Panelization을 시작으로 모델화를 진행해 나갔다.
- 이를 통해 설계자는 실제 현장에 가지 않고도 최적의 건물 배치 및 형태결정을 할 수 있게 된다. 또한 시스템을 사용하는 관련 담당자들은 시스템 오른쪽 상단의 Tutorial 메뉴를 통해 시스템 활용법을 익혀 쉽게 시스템 조작이 가능하도록 구성하였다.
- 마지막으로 설계단계에서 활용되는 매스모델에 재질 정보를 입력하기 위해 BIM 모델을 3ds MAX로 불러들여 VRML 파일로 추출함으로써 재질정보가 입력 가능한 속성영역을 구성하였다. 이 속성영역에 재질의 이미지를 입력한 후 저장을 하게 되면 그림 8 에서 보여주는 바와 같이 VRML 모델에 재질이 적용된 것을 확인할 수 있다.
- 먼저 설계단계에서는 대지의 최적매스모델 결정을 위해 재질입력 및 배치 기능을 구성하고, 시공단계에서 공정관리 및 간섭체크를 위해 Panelization 및 공정계획을 기반으로 한 4D play기능을 구성하였다. 마지막으로 유지관리단계의 건물용도변경 혹은 조경변경계획을 지원하기 위해 배관설비, 인테리어, 조경으로 된 3가지 모델그룹을 지원하여 동영상 플레이어로 시뮬레이션 할 수 있는 기능을 구성하였다.
- 먼저 BIM 증강현실 데이터 구축을 위해 2D 기반의 AutoCAD(*.dwg)파일로 구축되어 있는 평면도, 입·단면도를 활용하여 3D 형태의 구조 프레임을 구축하여 부재의 좌표점을 추출하였다.
- AR naviX는 건설 프로세스를 설계단계, 시공단계, 유지관리단계로 구분하여 각 단계별 참여자들의 건설관리업무를 지원한다. 먼저 설계단계에서는 대지의 최적매스모델 결정을 위해 재질입력 및 배치 기능을 구성하고, 시공단계에서 공정관리 및 간섭체크를 위해 Panelization 및 공정계획을 기반으로 한 4D play기능을 구성하였다. 마지막으로 유지관리단계의 건물용도변경 혹은 조경변경계획을 지원하기 위해 배관설비, 인테리어, 조경으로 된 3가지 모델그룹을 지원하여 동영상 플레이어로 시뮬레이션 할 수 있는 기능을 구성하였다.
- 본 연구는 위 3가지 평가분야 중 시스템의 효과성과 사용성을 평가하기 위하여 수도권 소재 S 대학교 건설관리공학 프로그램 소속 석·박사과정 대학원생 24인을 대상으로 워크샵을 실시하였다. 본 연구에서 개발된 AR naviX는 설계단계, 시공단계, 유지관리단계의 가상건설 정보와 현실정보를 연계하여 각 단계에서 건설관리자가 필요로 하는 의사결정을 효율적으로 지원하기 위한 시스템으로, 잠재적인 시스템 사용자를 워크샵 대상으로 설정하였다. 워크샵 참여자는 증강현실, BIM, 의사결정지원시스템의 기본적인 지식체계를 모두 이해하고 있으며 참여자 중 8인은 설계사무소를 운영하고 6인은 건설기업 및 건설사업관리용역기업 임직원으로 근무하고 있다.
- 사용자 요구기능 분석을 통해 시공단계 시스템에 4D 시뮬레이션 기능을 정의하였다. 1단계로 재질 선택을 한 후, 다음 단계로 Panelization 타입을 선택(A0)한다.
- 설계단계 시스템은 초기 매스설계 단계의 의사결정을 지원하기 위한 시스템으로 해당 건물 설계자와 면담을 통해서 요구기능을 분석한 후, 그림 9와 같이 설계단계 IDEF0 모델을 구성하였다.
- 시공단계 시스템에서는 공정진행에 따라 건설된 기성 부분을 사진 또는 레이저 스캐닝 기법을 통하여 현실정보화하고 향후 건설될 공종의 BIM모델을 이 현실정보와 조합하여 4D 공정시뮬레이션과 공종 간 간섭여부 확인이 가능하도록 하였다. 유지관리단계 시스템은 배관 BIM모델로 매입된 배관의 위치를 확인하고, 인테리어 및 조경모델 그룹으로 변경된 모습을 확인하는 것을 주요 업무로 정의하여 구현하였다.
- 이렇게 정의된 공정모델은 4D play를 통해 시뮬레이션(A2) 할 수 있다. 시뮬레이션 도중 간섭체크 기능으로 공종별 간섭여부를 확인하여 결과적으로 참여자들 오류에 대한 Feed-back 시간을 단축시켜 준다.
- 유지관리 단계 시스템은 건물 수선 및 변경과 시설물 관리를 위한 시스템으로 ①실내인테리어 변경, ➁외부 조경 변경, ➂배관설비 확인의 세 가지 요소로 구성하였다. 요구기능 분석은 모든 구성 요소를 포함하는 포괄적인 모델화를 통해 단일 시스템에 모든 요구기능이 정의될 수 있도록 하였다. 그림 14는 유지관리단계 시스템 요구기능 분석을 위한 IDEF0 모델이다.
- 워크샵의 진행은 참여자에게 AR naviX 시스템을 설명한 후 시스템을 사용하는 체험시간을 부여하였으며 시스템의 효과성을 판단하기 위해 표 2와 같이 시스템 개발목표와 관련된 2개의 질문을 도출하였다. 워크샵 참가자들은 체험시간 경과 후 시스템의 개발목표 대비 효과성에 대한 인식정도를 1에서 10까지의 10점 척도로 평가하였다.
- 이 때 요구되는 기능은 ①BIM 모델 및 현장정보 Load/UnLoad, ➁이동/회전/확대·축소, ③데이터 저장, ➃재질맵핑이며, ①,➁,③번 기능은 각 단계별 시스템에 공통적으로 요구되므로 같은 위치에 인터페이스를 구성하였다.
- 요구기능을 분석한 결과, 유지관리단계 시스템에서는 시설유지관리를 위한 설비시스템 확인, 용도변경 시 변경 후 예상모습 확인, 건물 사용연수에 따른 내·외관 노후화 정도 측정 등의 기능이 요구되었다. 이 중 배관설비 확인 및 용도변경 후 예상모습 확인에 대한 요구기능을 구현하였다. 이에 따라 구성요소별로 별도의 3D 증강현실 모델그룹이 필요한 것으로 분석되었다.
- 이로써 시스템 구축을 위한 사전작업을 마치고, 요구 기능 분석을 통한 시스템 기능과 인터페이스를 구축하였다.
- 본 연구는 이러한 문제점을 보완하면서 건설관리자의 업무를 효율적으로 지원할 수 있는 도구개발을 위해 건설현장의 실제정보에 바탕을 둔 증강현실 (Augmented Reality, 이하 AR)기반의 건설시뮬레이션시스템을 개발하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 BIM 기법을 활용하여 설계되고 최근 시공이 완료된 주택 건축물을 대상으로 AR 환경에서 설계단계, 시공단계, 유지관리단계의 시뮬레이션이 구동되는 시스템 (Augmented Reality Navigator, 이하 AR naviX) 을 구축하였으며 AR과 BIM 관련 전문가 워크샵을 실시하여 향후 보다 발전적인 AR 시스템 구현 시 반영할 수 있는 방법론과 개발된 시스템의 적절성, 한계점, 향후 연구방향을 도출하였다.
- 이에 따라 구성요소별로 별도의 3D 증강현실 모델그룹이 필요한 것으로 분석되었다. 이에 따라 시스템 모델 Load 기능에 세 종류의 3D 모델그룹을 구성하였다. 이 외에 참여자 간 커뮤니케이션을 통해 모델의 추가가 필요할 경우, 증강현실 파일포맷(*.
- 조사된 주요 의사결정 업무를 기반으로 설계단계 시스템은 계획설계 단계에서 발주자와 설계자의 매스모델 형태결정을 지원하기 위해 건축대지사진으로 구성된 현실 정보 위에 BIM 매스모델을 불러들여 건물의 형태와 규모를 파라메트릭 기법을 활용하여 조정하고 재질 맵핑 조정기능을 통해 재질감을 확인할 수 있도록 구현하였다.
- 데이터의 경우 현실정보는 Marker가 입력된 현장 영상, 사진, 레이저 스캐닝을 통해 As-Built 된 데이터이며, 가상정보는 증강현실에서 구현 가능한 3D BIM 모델로 구성되었다. 증강현실 데이터의 원활한 활용과 타 증강현실데이터의 호환성을 향상시키기 위해 시스템 구현에 사용된 모든 소프트웨어는 표준화된 상용도구의 사용을 원칙으로 하였다.
대상 데이터
- 시스템을 구성하는 정보는 크게 가상정보와 현실정보로 나뉘며 설계단계, 시공단계, 유지관리단계 시스템은 사용자통합 인터페이스를 통해 다수의 참여자가 동일한 인터페이스로 조작이 가능하도록 한다. 데이터의 경우 현실정보는 Marker가 입력된 현장 영상, 사진, 레이저 스캐닝을 통해 As-Built 된 데이터이며, 가상정보는 증강현실에서 구현 가능한 3D BIM 모델로 구성되었다. 증강현실 데이터의 원활한 활용과 타 증강현실데이터의 호환성을 향상시키기 위해 시스템 구현에 사용된 모든 소프트웨어는 표준화된 상용도구의 사용을 원칙으로 하였다.
- 본 연구는 위 3가지 평가분야 중 시스템의 효과성과 사용성을 평가하기 위하여 수도권 소재 S 대학교 건설관리공학 프로그램 소속 석·박사과정 대학원생 24인을 대상으로 워크샵을 실시하였다.
- 임줌폰(2006)은 2D를 기반으로 작성된 3D형태의 VRML 데이터 모델을 마커 인식을 통해 불러들여 환경적 분석·관리가 가능한 AR 프로토타입 시스템을 개발하였다. 시스템은 다양한 모듈(위치추적 모듈, AR 시각화 모듈, 4D CAD모듈, 일조 분석 모듈, 조망 분석 모듈, 3D 유틸리티 모듈)로 구성되었으며, 현실정보의 위치와 방향 추적을 위해 GIS엔진을 활용하였다.[4]
이론/모형
- 각 단계별 시스템에 구현한 요구기능은 프로세스 흐름을 활동(Activity) 단위로 모델링하는 방법인 IDEF0 방법을 활용하여 분석하였다. IDEF0는 정보시스템 구축을 위해 프로세스, 요구정보 등을 논리적, 물리적으로 분석·설계하는 방법인 IDEF 기법 중 하나로 기능분석에 중점을 둔 방법이다.
- 본 연구에서 개발한 AR naviX는 이러한 건설 각 단계별로 참여하게 되는 발주자, 설계자, 시공자, 시설관리자 간의 협업적 의사결정을 지원하기 위한 의사결정지원시스템 (Decision Support System, 이하 DSS) 으로서의 기능을 가진다. DSS는 의사결정자의 능력을 향상시킬 수 있는 보조역할로서의 컴퓨터 기반 시스템이라고 정의되며[16] DSS 개발 시 가장 중요한 요소 중 하나는 의사결정문제의 정확한 정의이다.
- 시스템 상의 AR 구현을 위한 AR Software로는 독일의 증강현실 전문개발회사인 metaio사의 Unifeye SDK(Software Development Kit)을 활용하였다.
성능/효과
- (1) 효과성 측면에서는 워크샵 참여자 24명 중 1번 질문에 대해 240점 만점을 기준으로 총점 181점, 평균 7.5점으로 프로젝트 참여자 간에 원활한 정보공유가 개선될 수 있는 것으로 인식하고 있었다. 2번 질문에 대해서는 총점 174점 (240점 만점)을 얻어 평균 7.
- (2) 사용성 측면에서는 워크샵 참여자 24명 중 1번과 2번 질문의 득점이 평균 7.3점, 7.8점으로 시스템 인터페이스의 사용성이 높은 편으로 분석되었다. 각 시스템별 요구기능에 따른 사용성 질문(3,4,5번)에는 설계단계 평점 7.
- 5점으로 프로젝트 참여자 간에 원활한 정보공유가 개선될 수 있는 것으로 인식하고 있었다. 2번 질문에 대해서는 총점 174점 (240점 만점)을 얻어 평균 7.25점으로 변하는 현장여건을 반영한 관리 및 계획수립이 대체로 개선될 수 있는 것으로 인식하고 있었다.
- 건설관리공학 전문가 집단의 워크샵을 수행하여 기존 가상현실 기반의 시뮬레이션 시스템이 가지고 있던 실시간 정보공유 곤란 및 신속한 의사결정지연 등의 문제가 개선될 수 있는 것으로 인식함을 확인할 수 있었다. 그리고 워크샵 결과를 바탕으로 향후 연구와 시스템 개선 방향을 설정하였다.
- 시공단계 시스템은 골조의 시공사진을 바로 적용하므로 변화하는 현장상황을 따로 모델링할 필요가 없으며, 비정형 골조형태에 따른 외장재의 변화된 모습을 실제 공사사진 위에 실시간으로 확인이 가능하다. 또한 외장재의 재료에 따른 재질감의 변화와 panelization에 따른 외관의 형태를 실시간 확인으로 곡면형태별, 재료, panelization 형태별로 4D 시나리오 구성이 가능하고 현장사진위에 시뮬레이션 구현이 가능하다.
- 요구기능을 분석한 결과, 유지관리단계 시스템에서는 시설유지관리를 위한 설비시스템 확인, 용도변경 시 변경 후 예상모습 확인, 건물 사용연수에 따른 내·외관 노후화 정도 측정 등의 기능이 요구되었다.
- 첫째, 시뮬레이션 환경에 관한 사항으로서, 현행 시뮬레이션 시스템들은 가상공간에 한정되어 구현된다. 건설프로젝트 현장 여건은 수시로 변하기 때문에 건설프로젝트 관계자 간 많은 정보교환을 필요로 한다.
후속연구
- 향후 연구에서는 시공단계 시스템의 공정관리 프로그램과의 연계방안 또는 시스템 내의 개선된 공정관리 기능이 추가되어야 할 것이며, 정확한 간섭검토 부위의 추적이 가능하도록 개선되어야 할 것으로 보인다. 또한 각 단계별 요구기능의 추가와 다양한 프로젝트에서의 적용을 통한 개선으로 고차원적인 통합시뮬레이션으로의 발전이 요구된다.
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